Výroba trojfázového napätia a prúdu

          Trojfázové napätie a prúd pre energetickú sieť sa vyrába v elektrárňach, v generátoroch poháňaných parnou alebo vodnou turbínou, tzv.alternátoroch. Alternátor vyrába súčasne tri tzv. fázové napätia, ktoré sú takmer harmonické, majú normálny kmitočet 50 Hz a sú navzájom fázovo posunuté o 120°. Tieto napätia tvoria trojfázovú sústavu.
          Základom činnosti alternátorov je Faradayom objavený jav elektromagnetickej indukcie. Sú to teda indukčné stroje. Hlavnú úlohu plní ich magnetický obvod, v ktorom sa vytvárajú indukované napätia (trojfázové napätie) podľa Faradayovho zákona:

                (1)

Schéma alternátora je na obr.4:

          Alternátor má dve hlavné časti: stator a rotor. Stator sa skladá z plášťa, ktorý býva pevne priskrutkovaný o nosnú plošinu, Iebo musí odolávať veľkému momentu sily, prenášanému magnetickým poľom od rotora a z magnetického obvodu. Magnetický obvod statora je zložený z tenkých izolovaných plechov, podobne ako magnetické jadro transformátora, Iebo magnetické pole v ňom bude striedavé. Plechy majú tvar prstenca s úzkymi drážkami pre vloženie vinutia. Magnetický obvod statora má tri póly, ktoré obvykle nevystupujú explicitne zo statora, ale tvorí ich jedna tretina vnútorného obvodu, v drážkach ktorej je uložené vinutie fázovej cievky. Napätie do nej indukované predstavuje fázové napätie. Jednotlivé póly, resp. ich vinutia na obr.4 sú označené X, Y, Z. Konce fázových cievok sú vyvedené na svorkovnicu stroja a tam sú prepojené do hviezdy podľa obr.5:

Pre cievky sa používa zjednodušená značka. Stred hviezdy - uzol sa uzemňuje.
          Rotor alternátora je vlastne silný elektromagnet, uložený na oceľovej osi vnútri statora. Jeho magnetický obvod je zložený z tenkých železných plechov a budiace vinutie je uložené v drážkach podobne ako v statore. Vinutie je napájané jednosmerným prúdom z dynama, umiestneného na spoločnej osi, nazývaného budič. Medzi rotorom a statorom je Ien malá, asi 1 mm široká vzduchová medzera, aby magnetický obvod mal malý magnetický odpor. Rotor, ako vidieť aj z obr.4, má kruhový prierez aj keď sa pri tom vyžaduje komplikovanejšia budiaca cievka. Indukované napätie vo fázových cievkach statora vzniká pri otáčaní rotora. Magnetické toky , ktoré rotor vytvára cez indukčné cievky X, Y, Z statora, musia mať pri rovnomerných otáčkach harmonický priebeh, inak by indukované napätie a prúd neboli harmonické. To je popri výhodných mechanických vlastnostiach pravá príčina uvedeného tvaru "pólov" rotora a statora. Malé odchýlky od harmonického priebehu, spôsobené konečnou šírkou drážok, spôsobujú vznik vyšších harmonických zložiek a nemajú zásadný význam.

          Ak turbína otáča rotor 3.000 otáčkami za minútu, indukuje sa do cievok X, Y, Z napätie s kmitočtom f = 50 Hz. Magnetický tok dosahuje maximum najprv cez cievku X (obr.4), pri pootočení rotora o 120° cez cievku Y a potom cez cievku Z. Ak by sme si všímali priebeh každého toku    osobitne, dostali by sme výrazy:

                           (2)

          Za povšimnutie stojí, že , Iebo magnetický tok je do seba uzavretý. Aký tok zo severného pólu magnetu rotora vychádza cez cievku X, taký sa do južného pólu vracia cez cievky Y, Z.
          Indukované napätia do cievok podľa vzťahov (1) a (2) budú:

       (3)

pričom amplitúdy U_m1=U_m2=U_m3=U_m sú rovnaké a fázovo sú napätia oproti sebe posunuté vždy o .

Napätia by sme mohli odviesť šiestimi vodičmi, ale zapojenie do hviezdy je rentabilnejšie. Spoločný vodič, ktorý vychádza z uzla, sa nazýva nulový vodič a spravidla je uzemnený. Vodiče pripojené na svorkovnici ku koncom cievok sa nazývajú fázové vodiče a napätia U₁, U₂, U₃, merané oproti 0, sa nazývajú fázové napätia. V bežných generátoroch v elektrárni mávajú asi 10.000 V, v spotrebiteľskej sieti, po transformácii, majú obvykle efektívnu hodnotu 220 V.
          Napätie medzi ktorýmikoľvek dvoma fázami sa nazýva združené napätie. Napríklad medzi fázou X a Y dostaneme

                    (4)

 

Združené napätie je teda harmonické, fázovo posunuté do stredu voči obidvom fázovým napätiam a má amplitúdu

Rovnaký vzťah platí aj pre efektívne hodnoty. V spotrebiteľskej sieti, kde

U_1ef=U_2ef=220 V, je:

          Priebeh fázových napätí v závislosti od času je znázornený na obr.6:

 

 

a pomocou vektorového diagramu na obr.7:

 

 

Pripojením záťažových impedancií medzi 0 a fázové napätie (obr.8):

 

 

dostaneme trojfázový prúd. Fázové prúdy majú rovnakú amplitúdu a fázový posun oproti napätiam Ien pri symetrickej záťaži, pri ktorej sú celkové záťaže impedancie fáz rovnaké. Symetrická záťaž je pre generátor najvhodnejšia, Iebo pri nej sú všetky indukčné cievky rovnomerne využité. V prípade podľa obr.8 by sme symetrickú záťaž dostali napr. pri Z₁=Z₂=Z₃, Z₄ = Y (I₄=0). Prúdy potom budú:

                              (5)

 

pričom platí I_m1=I_m2=I_m3=I_m. Súčtom prúdov (5) sa môžeme ľahko presvedčiť, že prúd nulovým vodičom pri symetrickej záťaži sa rovná nule. Pri symetrickej záťaži preteká týmto vodičom vyrovnávací prúd.
          Trojfázové vedenie nám umožňuje zapájať symetrické spotrebiče, napr. trojfázové elektromotory, elektrické pece, transformátory so symetrickou záťažou (napr.veľkým počtom domácností na sekundárnom vedení) dvojakým spôsobom: do hviezdy a do trojuholníka (obr.9).

 

 

         Zapojenie do hviezdy sme si už prebrali. Využívajú sa pri ňom fázové napätia oproti nulovému vodiču. Pri zapojení do trojuholníka je na každej impedancii združené napätie, t.j. v bežnej sieti 380 V. Pri výkonoch nad 5 kW sa obvykle používa združené napätie, Iebo tu je rentabilnejšie dimenzovať spotrebiče na väčšie napätie (380 V) a menší prúd ako na menšie napätie (220 V) a väčší prúd. Veľmi výhodné je to pri spúšťaní týchto spotrebičov, napr.motorov. Sú dimenzované na , ale pri spúšťaní sa najprv zapnú do hviezdy (), kde majú nižší prúd, resp.výkon a po rozbehnutí sa prepnú do trojuholníka na plný výkon. Šetrí sa tým zariadenie a sieť netrpí veľkými prúdovými nárazmi.

          Vrátime sa ešte k alternátorom. Usporiadanie a zapojenie alternátora s troma pólmi (obr.4) je typické pre alternátory poháňané vysokootáčkovou (3.000 otáčok za minútu), obvykle parnou turbínou. Pre niektoré pohonné jednotky, napr.pre veľké Dieselové motory a niektoré vodné turbíny, nie sú také vysoké otáčky výhodné. Vtedy sa používajú generátory s vyšším počtom pólov. Napríklad, ak rotor má mať otáčky 1.500 min^-1, je potrebné zdvojnásobiť počet pólov na 6. Oproti sebe Iežiace póly majú potom cievky spojené v sérii a ich vinutie je fázovým vinutím. Obvykle sa ešte zdvojnásobí počet pólov na rotore a otáčky sa znížia na 750 min^-1. Tieto nízkootáčkové stroje majú už obvykle póly "vyjadrené", t.j. vyčnievajúce zo základných prstencov magnetického obvodu, upravené do takého tvaru, aby  každej z fáz malo harmonický priebeh v závislosti od času.
          Analogicky ako trojfázové sú skonštruované generátory dvojfázového a viacfázového prúdu. Dvojfázový štvorpólový generátor má usporiadanie podľa obr.10a. Je to generátor s "vyjadrenými" pólmi. Fázové napätia U₁, U₂ sú navzájom posunuté o (obr.10b):